[發明專利]基于一維光子晶體結構的液晶光開關

有效

• 申請號: 201410086632.4
• 申請日: 2014-03-11
• 公開（公告）號: CN103823276A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發明（設計）人: 宋國峰;相春平;許斌宗;劉杰濤;付東
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所
• 主分類號: G02B6/35
• 分類號: G02B6/35;G02F1/13
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 任巖

技術領域

本發明涉及一種光互聯器件，特別涉及一種基于一維光子晶體結構的液晶光開關，適用于光通信、光互聯和集成光電子芯片等技術領域。

背景技術

光開關是光纖通信、光互聯和光邏輯器件中的重要元器件之一，可以實現全光層的路由選擇和波長選擇。在光通信、光網絡監控、光計算和光信息處理系統中都有重要的應用。目前已實現的光開關包括傳統的機械結構光開關、微電子機械開關、馬赫-曾德干涉儀型光開關、熱光效應光開關、聲光效應光開關、半導體放大器開關、液晶光開關、全息光柵開關和氣泡開關等，每種光開關都有各自的優勢和應用范圍。

機械結構光開關器件體積龐大，不易集成。微電子機械光開關利用類似集成電路工藝，工藝兼容性好但光損耗較大，開關可靠性差，響應時間為毫秒量級。波導光開關的響應時間快，體積小，但其消光比低并且損耗大。隨著集成光子技術的發展，低驅動電壓、高集成度、低功耗、可適用于不同要求的光開關的設計和制作成為了大規模、集成化光芯片發展的關鍵因素。液晶光開關的開關閾值低，響應速度較機械結構光開關快，達到毫秒量級，另外液晶材料的吸收損耗很低，這些特性使得液晶光開關在光互聯上具有很好的應用前景。

液晶材料是一種被廣泛應用于各類電子元件中的各向異性材料，不同種類的液晶光開關也已經在各類集成度不高的產品中被廣泛應用。傳統液晶光開關工作原理為：將輸入光分為兩路偏振光，然后把光輸入到液晶內，受到電場調控的液晶可以改變光的偏振狀態，輸出的光射到無源器件上進而實現透過和阻斷兩種狀態。這種光開關結構中包括光分束器，兩組液晶器件和合束器。因此這類開關體積大，集成度低，光損耗很高。

光子晶體可以被用于設計制作各種光學集成器件，如濾波器、波分復用器和光開關。利用光子晶體來實現光開關的思想最早由Scalora等人于1994年提出，此后光子晶體光開關逐漸成為研究的熱點，其調制機理包括光子帶隙遷移和缺陷模式遷移。Fei等人于2012年在半導體介質柱中填充聚苯乙烯，利用光子晶體波導與微腔的耦合實現了全光開關。然而目前大部分光子晶體全光開關直接使用非線性材料或功能性材料，閾值高，結構復雜且體積大，實際應用中的接口個數受到限制。

從芯片集成的角度考慮，光開關對結構的復雜程度和所選用材料的集成工藝性能都有較高的要求。液晶光子晶體光開關的設計可以使光開關的結構更簡單，體積更小，易于集成。在光互聯領域將會有很廣泛的應用。

發明內容

(一)要解決的技術問題

針對光互聯系統中需要多種具有不同特性的光開關的要求，本發明提供了一種集成度高、結構簡單、損耗較低以及響應時間為毫秒量級的基于一維光子晶體結構的液晶光開關。

(二)技術方案

為達到上述目的，本發明提供了一種基于一維光子晶體結構的液晶光開關，該液晶光開關包括輸入光波導10、一維光子晶體光柵薄膜結構和輸出光波導17，其中：輸入光波導10，用于將入射光引入到一維光子晶體光柵薄膜結構中；一維光子晶體光柵薄膜結構，用于通過調控整體一維光子晶體透射譜來調控由輸入光波導10引入的入射光的透射特性，進而選擇入射光的透射波長；輸出光波導17，用于引出一維光子晶體光柵薄膜結構的輸出光。

上述方案中，所述一維光子晶體光柵薄膜結構是控制光傳播通與斷的核心部分，包括第一至第四一維光子晶體光柵薄膜(11，12，13，14)，其中：第一一維光子晶體光柵薄膜11包括1101、1102、…、1106共6層薄膜，第二一維光子晶體光柵薄膜12包括1201、1202、…、1206共6層薄膜，第三一維光子晶體光柵薄膜13包括1301、1302、…1306共6層薄膜，第四一維光子晶體光柵薄膜14包括1401、1402、…、1406共6層薄膜；第一一維光子晶體光柵薄膜11與第二一維光子晶體光柵薄膜12各層交替緊貼排列組成透射光柵15，第三一維光子晶體光柵薄膜13與第四一維光子晶體光柵薄膜14各層交替緊貼排列組成調控光柵16。

上述方案中，所述透射光柵15前端界面與所述輸入光波導10連接，后端界面與所述調控光柵16連接，在光路方向上的層間排列為：1101、1201、1102、1202、…、1106、1206，薄膜周期數為6。

上述方案中，所述調控光柵16前端界面連接所述透射光柵15，后端界面連接所述輸出光波導17，在光路方向上的層間排列為：1301、1401、1302、1402、…、1306、1406，薄膜周期數為6。